Umstellung auf Sonne und Wind verringert Grundwasserverbrauch

11.11.2019 IIASA-Forscher suchte optimale Wege für das Management von Grundwasser- und Wasserkraft-Kompromissen bei unterschiedlichen Wasserverfügbarkeitsbedingungen, da Solar- und Windenergie im Bundesstaat Kalifornien eine immer wichtigere Rolle spielen.

Kalifornien ist der größte landwirtschaftliche Produzent der USA. Inmitten einer der verheerendsten Dürreperioden (2012–2017) erwirtschaftete der Agrarsektor des Landes im Jahr 2015 immer noch 47 Mrd. USD und trug 13% zur gesamten Agrarproduktion des Landes bei. Die allgemeine Widerstandsfähigkeit des Agrarsektors beruhte in hohem Maße auf der nicht nachhaltigen Nutzung des Grundwassers, die zwar die Auswirkungen der Dürre wirksam ausgleicht, jedoch zu einer starken Erschöpfung des Grundwassers beiträgt.

Während des trockensten Teils der Dürre sank die Stromerzeugung aus Wasserkraft in Kalifornien aufgrund der verringerten Verfügbarkeit von Oberflächenwasser erheblich unter den langjährigen Durchschnitt. Dieses Stromdefizit wurde durch Strom ausgeglichen, der durch die schnell wachsende Solar- und Windflotte des Staates sowie Strom aus nicht staatlichen Quellen erzeugt wurde. 2012 übertraf die Stromerzeugung aus Sonnen- und Windkraft in Kalifornien die Stromerzeugung aus Wasserkraft, da die Kosten für Windkraftanlagen und Solarphotovoltaik (PV) sanken und der Renewables Portfolio Standard (RPS), der mehr als ein Drittel erneuerbare Energien bis 2030 vorschreibt, die landesweite Stromerzeugung aus Solar- und Windenergie erhöht.

Laut einer neuen Studie, die in Nature Communications veröffentlicht wurde, gibt es unterbewertete Vorteile von Solar- und Windenergie innerhalb des Wasser-Lebensmittel-Energie-Zusammenhangs, die noch wenig verstanden werden, aber Auswirkungen auf die Optimierung der Kompromisse zwischen Energie und Lebensmittelproduktion haben, sowie zur Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegen Dürre und der Nachhaltigkeit der Wasserressourcen vehement beitrag. Die Studie ist die erste, die den zusätzlichen Nutzen von Solar- und Windenergie bei der Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegen hydroklimatische Schocks wie Dürren über die traditionelle Rolle der Verbesserung der Luftqualität und der Minderung von Treibhausgasemissionen hinaus quantifiziert.

"Solar- und Windenergie in Kalifornien wird die Widerstandsfähigkeit gegen Trockenheit erhöhen und Nachhaltigkeit des Grundwassers fördern und somit einen Mehrwert für die Energie- und Nahrungsmittelproduktion schaffen", erklärt Studienleiter Xiaogang He, Absolvent des IIASA Young Scientists Summer Program (YSSP) 2017. Derzeit ist er Postdoc-Stipendiat für Bau- und Umweltingenieurwesen am Stanford "Water in the West"-Programm und künftig Assistenzprofessor am Department für Bau- und Umweltingenieurwesen an der National University of Singapore.

Die Autoren erklären, dass zuvor die Vorteile von Solar- und Windenergie in der Regel in Bezug auf den Ersatz fossiler Brennstoffe und die Reduzierung der Luftverschmutzung bewertet wurden. Auf der Grundlage ihrer Analyse stellten sie fest, dass eine erhöhte Penetration von Sonnen- und Windenergie die Widerstandsfähigkeit gegen Trockenheit und die Nachhaltigkeit des Grundwassers verbessern kann, indem die Verteilung des Oberflächenwassers von Wasserkraft auf Bewässerung umgeleitet und damit die Grundwasserentnahme verringert wird.

"Die Studie hebt die Vorteile von Energieversorgung und Umwelt in dem Sinne hervor, dass die Aufrechterhaltung der Nachhaltigkeit des Grundwassers die Auswirkungen von Grundwasservorschriften - wie dem kürzlich verabschiedeten Gesetz zur nachhaltigen Bewirtschaftung des Grundwassers - auf landwirtschaftliche Einkommensverluste teilweise ausgleichen kann", sagt Studienmitverfasser Justin Sheffield , Professor für Hydrologie an der Universität von Southampton in Großbritannien.

Das Hauptziel der Forscher war, herauszufinden, wie die optimalen Wege für das Management von Grundwasser- und Wasserkraft-Kompromissen unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Wasserverfügbarkeitsbedingungen unter Einfluss der Zunahme von Sonnen- und Windenergie in den Energiemix ermittelt werden können. Ihre Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Kombination von Sonnen- und Windenergie mit Wasserkraftsystemen einen noch unterbewerteten beiderseitigen Nutzen für den Wasser-Lebensmittel-Energie-Zusammenhang erzielen kann.

In der Studie wurde Kalifornien als Fallstudie zur Entwicklung eines Trade-off-Frontier-Frameworks zur Quantifizierung des Wasser-Nachhaltigkeitswerts von Solar- und Windenergie verwendet. Die Forscher warnen jedoch davor, dass dieser Modellierungsrahmen darstellt, wie Kalifornien als Ganzes auf künftige Zunahmen bei der Nutzung erneuerbarer Energiequellen reagieren würde, was bedeutet, dass politische Empfehlungen mit Vorsicht betrachtet werden sollten, wenn dieser Rahmen in kleineren Maßstäben angewendet werden soll. Die Autoren meinen auch, dass die derzeitige wirtschaftliche Analyse durch Berechnung des Barwerts der gegenwärtigen und zukünftigen Einnahmen aus der Grundwassernutzung auf die soziale Wohlfahrt ausgeweitet werden könnte. Die Autoren betonen, dass die Wichtigkeit der Verwendung eines integrierten Modellierungsrahmens über verschiedene Disziplinen hinweg, um die miteinander verflochtenen Probleme in Bezug auf Wasser, Ernährung und Energie anzugehen, nicht überbewertet werden darf.

„Der unentdeckte und unterschätzte soziale Wert von Solar- und Windenergie kann dazu beitragen, Wirkungspfade zur Unterstützung der Politik zu entwickeln und positive praktische Veränderungen für eine nachhaltige Wasser- und Ernährungssicherheit herbeizuführen. Unsere Arbeit ist einzigartig und aktuell und könnte ein breites Interesse und Auswirkungen auf Kalifornien, andere US-Bundesstaaten und sogar andere Länder haben. Unser Rahmen ist so flexibel, dass er dazu eingesetzt werden kann, die Kompromisse zwischen Wasser, Nahrungsmitteln und Energie in Entwicklungsregionen besser zu managen und Fortschritte bei der Erreichung der UN-Ziele für nachhaltige Entwicklung (SDGs) zu erzielen “, schließt Studienkoautor Peter Burek, Forscher am IIASA Water Programm.

Reference
He X, Feng K, Li X, Craft A, Wada Y, Burek P, Wood E, & Sheffield J (2019). Solar and wind energy enhances drought resilience and groundwater sustainability. Nature Communications DOI: 10.1038/s41467-019-12810-5

Weitere Infos:
www.iiasa.ac.at